航天工程育种技术创新与产业发展现状

编者按：随着神州九号的顺利发射和返回，太空经济再次成为了热门话题。作为太空经济发展的一部分，航天育种以其对农业现代化的推动作用而备受关注。高精尖的航天技术和传统的农业，这原本看似毫无联系的两个领域，现在已被科学家们完美地结合在一起，使航天技术成为了推动农业发展的重要手段——借助航天工程把农作物种子送入太空，利用特殊的空间环境使其产生有益的遗传变异，再通过进一步的选育培育出农作物新品种，从而提升农业的生产力水平。

航天工程育种是我国科技工作者开创的一种新的农作物育种技术途径，那么，它是如何发展起来的？目前取得了哪些研究进展？发展前景如何？太空种子有辐射吗？我们吃的蔬菜哪些是由太空种子培育出来的？本期业界观察我们特别邀请到国家航天育种工程首席科学家刘录祥研究员，请他为我们一一进行介绍。

航天工程育种的概念与优势

航天工程育种是利用空间宇宙粒子、微重力、弱地磁等综合因素的诱变作用进行农业生物遗传改良，亦称农业生物空间环境诱变育种，具体指利用返回式卫星、飞船等搭载农业生物，使其在空间环境中产生有益的遗传变异，返回地面后通过进一步选育来创造农业育种材料、培育新品种的农业生物高技术育种新方法。航天工程育种是空间科学与生命科学交叉研究的新领域。

航天环境是一种地球上无法比拟的特殊诱变源，航天工程育种具有三大优势：一是航天环境的诱变因素多，加之各种因素复合作用，对生物造成的损伤小，变异种类多、幅度大，可产生地面传统理化诱变得不到的变异；二是航天环境诱变产生的变异是DNA内部发生的重组和突变，属于生物体内源基因自身诱变改良，不存在基因安全性问题；三是育种周期缩短，航天环境诱发的变异大多在生物的第3～4代即可稳定，而常规育种则需要6～8代。发展航天工程育种技术及产业对于获得罕见突变基因种质资源，加快农作物优良品种培育，提高我国农业生产能力，保障农产品供给具有重要意义。

国外航天工程育种研究概况

20世纪60年代初，前苏联及美国的科学家开始利用卫星搭载植物种子上天，在返回地面的种子中发现其染色体畸变频率有较大幅度的增加。1996－1999年，俄罗斯等国在“和平号”空间站成功种植小麦、白菜和油菜等植物。到2009年底，美国国家航空航天局所属的作物生理学实验室已经从国际植物遗传资源库中筛选出适合空间站培植的超矮小麦、水稻、大豆、豌豆、番茄和青椒等作物品种或品系。目前，美、欧等国正在利用国际空间站进行太空植物试验研究，其最终目的是要让宇宙飞船成为“会飞的农场”。培育和筛选适宜在航天环境中生长的不同植物品种是国外航天生物工程研究的重要发展趋势，迄今为止，国外鲜见有关利用航天诱变进行农作物育种的研究报道。

我国航天工程育种进展

航天工程育种是我国科技工作者开创的一种新的农作物育种技术途径。自1987年我国首次利用返回式卫星搭载农作物种子开展航天诱变育种，特别是2006年组织实施国家航天育种工程、专门发射“实践八号”育种卫星以来，我国已经在航天工程育种技术队伍建设、农作物新品种培育、特异新种质和新材料创制、新品种培育的产业化以及航天工程育种机理研究等方面取得了重要进展。

航天工程新品种培育

通过组织实施国家航天育种工程，我国农作物航天工程育种研究取得了显著成绩，一大批产量和质量双高的新品种脱颖而出，特别是“十一五”以来，已利用航天工程育种技术先后在水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、花生、芝麻、番茄、青椒、茄子、苜蓿等15种作物上培育出进入省级以上区域试验的优异新品系200多个，其中特优航2号水稻、鲁原502小麦、川单189玉米、克山1号大豆、中油5628油菜、中棉所50棉花、中花15号花生、航芝2号芝麻、皖红7号番茄、申粉998番茄、宇椒5号青椒、紫云2号辣椒、白茄2号茄子、农大601茄子、农箐8号苜蓿等85个农作物新品种或新组合分别通过国家或省级品种审（认）定，使我国利用航天工程技术育成的农作物品种总数达到110个。

科研人员充分利用航天工程育种诱变农作物种质创新的优势，获得了大量特异性十分突出的作物新种质、新材料。全国航天育种协作组从“实践八号”育种卫星搭载的植物材料后代中已筛选培育出400余份育种新资源，其中包括利用传统地面诱变育种技术不易获得的特异突变材料，例如：极早熟、抗病、强筋小麦新种质SP8581、SP801和SP135；优质、多蘖和高配合力的水稻新矮源材料CHA-1；表现优异的特色番茄自交系09-37-9，抗病毒病番茄96-22，早熟、高番茄红素番茄HY-2，耐贮运番茄沪番2561Sp6，高抗青枯病番茄HT-6，早熟甜椒自交系07DH132，抗病甜椒自交系09-388，炒椒型辣椒自交系05-14，抗病长白茄子E49-54等。这些优异新种质、新材料已为全国多家育种单位所引进，并广泛应用于农作物常规育种及杂种优势育种中，对促进我国农作物育种技术进步起到了重要作用。

航天工程育种关键技术研究

我国在航天环境与地面模拟诱变方法、航天诱变目标突变体定向筛选、航天诱发农业生物重要突变性状高通量鉴定等多项关键技术研究领域取得了一系列重要进展。“十一五”期间，中国农业科学院组织全国大协作，通过对“实践八号”育种卫星搭载的不同作物品种材料进行生物学和细胞学分析，结合航天环境探测参数和地面模拟试验，明确了不同类型植物种子在航天飞行中被宇宙粒子击中的频率及其细胞学变异特点；建立起植物种子、幼苗、组织培养物等不同受体材料的航天搭载技术和航天处理材料后代选择育种技术；探索了利用地面加速器产生的高能单粒子和混合粒子场以及屏蔽了地球磁场的零磁空间等模拟航天环境因素，从粒子生物学、物理场生物学和重力生物学等不同角度研究航天诱变效应与分子机理，优化了农作物种子航天搭载诱变技术，建立了地面模拟航天环境要素诱变技术以及航天诱发变异的高通量分子鉴定技术，为进一步解析航天诱变的分子机制奠定了基础。

航天工程育种机理探索

目前关于航天环境诱变机理的探索研究基本上可分为两种策略：一是通过对航天环境中的宇宙线辐射、微重力、弱地磁、高真空等因素进行一一排查和分析，来验证哪个或哪些因素能使种子产生变异；二是通过对航天搭载诱变获得的突变个体与其原始亲本品种进行分子生物学和遗传学等的比较分析，寻找突变发生的内在原因，再逆推回去证明引起突变的因素。现有研究认为，航天诱变的诱因主要是太空中的高能粒子辐射及空间微重力的协同作用。研究发现，当植物种子被宇宙射线中的高能重粒子（HZE）击中后，会出现更多的多重染色体畸变，植株异常发育率增加，而且HZE击中的部位不同，畸变情况也不同，根尖分生组织和胚轴细胞被击中时畸变率最高。同时，许多试验结果表明，经过航天飞行的种子即使没有被宇宙粒子击中，发芽后也能观察到染色体畸变现象，而且飞行时间越长，畸变率越高，说明微重力对种子亦具有诱变作用。

2006年以来，利用首颗专门用于航天育种研究的“实践八号”育种卫星开展的机理研究发现，育种卫星飞行期间卫星舱内可探测到的射线剂量总和仅有几毫戈瑞（mGy），这个空间辐射剂量仅相当于一个核辐射从业人员一年吸收的核辐射安全累计量的1/10。单从传统的核辐射角度来看，如此微小的空间辐射剂量很难形成种子诱变的辐射场条件，那么空间环境到底是如何引起生物材料发生变异的呢？这给航天育种机理研究提出了挑战。

航天工程育种产业化推进

“十一五”期间，全国航天工程培育的作物新品种累计示范应用面积超过267万hm2，增产粮棉油12亿kg，创造社会经济效益19亿元。在航天蔬菜新品种推广应用方面，国家科技支撑计划课题组在北京、河北、山东、黑龙江、上海、安徽、湖北、广东等地建立示范生产基地17个，累计示范应用面积67余hm2；育成新品种、新品系在北京、河北、山东、黑龙江、上海、安徽、湖北、广东等地累计示范推广2万余hm2，累计增产蔬菜0.8亿kg，实现经济效益2亿元。这些优良新品种的推广应用，为提升我国粮食综合生产能力和农产品市场竞争力提供了科技支撑。同时，对航天工程诱变育种技术及其产品知识产权的有效保护，以及新品种“科研—公司—农户”一体化、“种植—加工—销售”一条龙推广应用模式的实施，为更快更好地推进航天工程育种产业化提供了重要保障。

航天工程育种条件与人才队伍建设

“十一五”期间，我国第一颗专门用于航天工程育种的卫星“实践八号”成功发射并返回，按照航天育种工程的总体部署，中国农业科学院组织全国130多个研究单位的224个课题组参与了国家航天工程育种研究试验，组建了国家农作物航天诱变技术改良中心，成立了全国航天育种协作组，全面开展农作物航天工程育种工作。现已初步形成了国家、省、地三结合的全国航天工程育种技术研究体系、学术交流网络和产业开发队伍，为我国进一步开展航天工程育种的基础研究、开发和产业化奠定了坚实的基础。

航天工程育种的安全性

在自然环境中，植物种子其实也在发生变异，只是这个变异过程极其缓慢，变异频率很低，被称为自然变异。早期的植物系统育种方法大多是对这种自然变异的选择和利用，实践证明该方法是安全可行的。航天工程育种是人们有意识地利用空间环境条件来加速生物体的变异过程，这种变异被称为人工变异。航天工程育种产生的变异与自然变异在本质上是没有区别的，太空种子的变异基因是地面种子本身基因变异的产物。事实上，国际上普遍使用高剂量的核辐射装置为面包、大米、方便面、脱水蔬菜等进行灭菌消毒，这些处理过的食品都是安全的，可以直接食用。迄今为止，世界上已有70多个国家利用国际原子能机构组织倡导的核辐射诱变技术培育出3 000多个植物突变品种，人们食用这些理化诱变品种加工出来的食物已有50多年，根据人们长期的食用经验，理化诱变的食物是无任何危害的。因此，食用太空种子生产的粮食、蔬菜等不会有不良反应，航天工程育种培育出来的产品是可以放心食用的。

航天工程育种发展前景

我国是一个农产品生产和消费大国，人口不断增长，耕地和水资源逐渐减少，但人们对农产品的刚性需求却在不断增加，这已经成为我国当前乃至今后相当长时期内的突出矛盾。从根本上解决吃饭问题，关键是依靠科学技术特别是高新技术来提升传统农业的发展。作为目前世界上仅有的3个掌握返回式卫星技术的国家之一，我国航天科学家和农业科学家充分利用这一优势，把航天这一最先进的技术领域与农业这一最古老的传统产业相结合，在航天工程育种领域取得了一系列开创性的研究成果。

航天工程育种关键技术的持续攻克和突破，对于加快我国育种步伐，提高育种质量，探索具有中国特色的新兴育种研究领域具有十分重要的意义。笔者希望在国家航天育种工程基础上，将航天育种作为我国空间科学技术应用的重要组成部分，纳入国家载人航天及空间站计划，形成长期稳定的植物种子等生物材料的空间搭载体系和机制，以保证该项工作的持续性、创新性和产业成长性，有效促进我国航天育种产业的发展，为我国农作物育种技术进步和国民经济发展作出更大的贡献。

附：我国航天工程育种的发展历程

1987年8月5日，随着我国第9颗返回式科学试验卫星的成功发射，一批水稻和青椒等农作物种子被送向了遥遥天际，这是我国农作物种子的首次太空之旅。当时，搭载农作物种子的目的并不是育种，而只是想了解空间环境对植物遗传性是否有影响。但是，科学家们在试验中发现，这些种子发生了一些意外的遗传变异，因此才开始考虑进行农作物航天诱变育种。

1996年，农业部正式将“作物空间诱变育种”列入“九五”部级重点课题。

2002年，科技部将农作物航天育种课题正式列入国家“十五”863计划，为航天育种技术的发展奠定了基础。农作物航天诱变育种课题不仅意味着世界上从此有了航天育种的概念，而且其目标直指育种卫星。

2006年9月9日15时，在国务院及多个部委的联合支持下，历经10年努力，我国第1颗、也是世界上迄今惟一1颗专门用于航天育种的卫星——“实践八号”成功发射，标志着航天育种从零星搭载到探索性试验，再到研究和技术应用，产生了质的飞跃。卫星上装载了经过认真筛选的9大类共2020份农作物种子和微生物菌种等材料，涉及水稻、麦类、玉米、棉麻、油料、蔬菜、林果花卉等152个物种，其中植物133种、微生物16种、动物3种。

2006年9月26日，我国首颗航天育种卫星“实践八号”返回，农作物种子交接仪式在北京举行，中国航天育种工程迈入地面选育阶段。

2007年，航天育种课题继续被列入国家“十一五”863计划，进一步突出了航天诱变技术创新与突破性品种的培育目标。

2008年，依托国家航天育种工程的空间环境农业应用关键技术研究与示范项目被列入国家“十一五”科技支撑计划，在较大范围内组织全国优势力量全面开展农作物航天育种。

2011年，航天工程育种被正式列入国家“十二五”战略性新兴产业规划。

2012年，水稻、小麦等作物航天工程育种课题继续被列入国家“十二五”863计划，并启动实施。

作者简介：

刘录祥，1965年2月生，陕西省凤翔县人，研究员，国家航天育种工程首席科学家，长期致力于核辐射、离子束、航天环境等与植物相互作用及作物品种诱变改良研究。现任中国农业科学院作物科学研究所遗传育种系主任、国家农作物航天诱变技术改良中心主任，兼任中国原子能农学会辐射遗传及航天育种专业委员会主任、中国农业生物技术学会作物生物技术分会秘书长、国际原子能机构植物诱变育种项目牵头国协调员和《核农学报》常务副主编等。

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